论文共同第一作者、作科所博士研究生魏少博负责管理田间试验。据他介绍，2018年至2022年，该团队在北京、三亚、杭州进行了多年多点田间试验。

一方面，植物通过地上部叶片进行光合作用，将大气中的二氧化碳同化为有机物，完成碳的固定，是作物生物量和产量形成的基础;另一方面，植物通过地下部根吸收氮素，是作物产量形成的关键限制因子。

然而，这是一项极具挑战性的工作。“只要有1%的希望我们就要尝试。”周文彬带领团队从他“执着”了20余年的光合作用研究入手。

然而，联合国粮农组织的数据显示，近年来受新冠肺炎疫情、极端气候、地缘冲突等影响，全球饥饿人口持续上升，2021年世界受饥饿影响的人数达8.28亿。

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论文共同第一作者、作科所李霞博士告诉《中国科学报》，他们在不同的作物中对转录因子OsDREB1C进行了增强基因表达的操作，并观察它们的田间表现。

中国农业科学院作物科学研究所(以下简称作科所)研究员周文彬团队在水稻中发现高产基因(OsDREB1C)能同时提高光合作用效率和氮素利用效率，可提高作物产量30%以上。7月22日，相关成果在线发表于《科学》。

与此同时，这一款明星基因还可提高水稻氮素利用效率。过表达OsDREB1C基因可使水稻对氮素的吸收和转运能力增强，将更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率较对照组提高25.8%~56.6%。

“‘吃'得更多，‘喝'得更多，‘消化'很好，应该是导致高产的原因。”周文彬说，团队进一步研究探明了OsDREB1C基因的调控机制--它在植物体内起到“分子开关”的作用，分别与作用于光合作用的碳同化基因、氮素吸收转运基因以及开花途径基因等多个下游靶基因直接结合并激活转录，提高相关基因的表达水平，进而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率及抽穗期等三个生理过程，实现高产早熟、绿色高效。

“多面手”明星基因

“在有限耕地面积的情况下，提高作物单产是确保粮食安全的主要途径。”论文通讯作者周文彬告诉《中国科学报》。

提高作物单产是确保粮食安全主要途径

碳和氮是植物生长发育必需的营养元素，也是细胞的主要构成成分。

上世纪60年代开始的以矮化育种为特征的“绿色革命”，通过引入矮秆基因改良作物株型，以及提高栽培管理技术，使全世界水稻产量翻了一番。而由袁隆平院士主导培育的杂交水稻的大面积推广应用，实现了作物增产20%以上。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士评论指出，该研究是作物高产早熟育种研究领域的一项重大突破，未来有望应用于水稻、小麦等口粮作物以及蔬菜等园艺作物。此外，该基因的早熟、高产特性可为下季作物空出茬口，对解决作物复种系统下整地时间短、茬口偏紧等生产问题，也具有非常重要的应用价值。

为验证OsDREB1C基因在不同作物中可能产生的“影响力”，该团队进一步在普通小麦品种“Fielder”以及模式植物拟南芥中，构建了过表达OsDREB1C基因的材料，并对其进行多物种功能验证。

未来世界人口将持续增长，预测到本世纪中叶，粮食产量至少要增加50%~60%才能满足需求，因此需要持续提高作物单产水平。

田间应用尚待时日

中国工程院院士万建民说，该研究的重要性不仅在于发现单一基因可同时调控多个重要生理途径，打破长期存在于农业生产中的“高产”与“早熟”的矛盾，而且在于OsDREB1C基因在不同作物中的保守性功能使其具有巨大的应用前景与发展潜力，对推动农业可持续集约化生产具有重要意义。

从“绿色革命”改良作物株型到杂交水稻大面积推广，粮食单产增长了一倍多。

此外，施用氮肥是农作物增产的重要措施之一。近年来，大量氮肥的过量施用不仅没有带来作物产量的持续提高，反而导致了严重的环境污染问题，如土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等。

“因此，同时提高作物产量和氮素利用效率需要新的途径和策略。”周文彬说。

《科学》同期发表的英国牛津大学植物科学系教授Steven Kelly撰写的评论文章称，这项研究表明，在经历了数千年的驯化育种后，通过挖掘植物基因组中未知的光合作用相关基因来实现作物产量的提升，尚有巨大潜力。该研究证明，通过提高光合作用来增加作物单产是可行的，也是实现世界可持续发展的重要途径之一。